工程热力学期末试题及答案

第1页共6页工程热力学期末试卷建筑环境与设备工程专业适用（闭卷，150分钟）班级姓名学号成绩一、简答题(每小题5分，共40分)1.什么是热力过程？可逆过程的主要特征是什么？答：热力系统从一个平衡态到另一个平衡态，称为热力过程。可逆过程的主要特征是驱动过程进行的势差无限小，即准静过程，且无耗散。2.温度为500°C的热源向热机工质放出500kJ的热量，设环境温度为30°C，试问这部分热量的火用（yong）值（最大可用能）为多少？答：15.27350015.273301500,qxE303.95kJ3.两个不同温度（T1,T2）的恒温热源间工作的可逆热机，从高温热源T1吸收热量Q1向低温热源T2放出热量Q2，证明：由高温热源、低温热源、热机和功源四个子系统构成的孤立系统熵增。假设功源的熵变△SW=0。证明：四个子系统构成的孤立系统熵增为（1分）对热机循环子系统：1分1分根据卡诺定理及推论：1分则：。1分4.刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如右图所示。若将隔板抽去，试分析容器中空气的状态参数（T、P、u、s、v）如何变化，并简述为什么。答：u、T不变，P减小，v增大，s增大。B隔板A自由膨胀12isoTTRSSSSSW121200ISOQQSTTR0S22tt,C1111QTQTiso0Siso0S第2页共6页5.试由开口系能量方程一般表达式出发，证明绝热节流过程中，节流前后工质的焓值不变。（绝热节流过程可看作稳态稳流过程，宏观动能和重力位能的变化可忽略不计）答：开口系一般能量方程表达式为绝热节流过程是稳态稳流过程，因此有如下简化条件，则上式可以简化为：根据质量守恒，有代入能量方程，有6.什么是理想混合气体中某组元的分压力？试按分压力给出第i组元的状态方程。答：在混合气体的温度之下，当i组元单独占有整个混合气体的容积（中容积）时对容器壁面所形成的压力，称为该组元的分压力；若表为Pi，则该组元的状态方程可写成：PiV=miRiT。7.高、低温热源的温差愈大，卡诺制冷机的制冷系数是否就愈大，愈有利？试证明你的结论。答：否，温差愈大，卡诺制冷机的制冷系数愈小，耗功越大。（2分）证明：TTwqTTTR22212，当2q不变，T时，w、R。即在同样2q下(说明得到的收益相同)，温差愈大，需耗费更多的外界有用功量，制冷系数下降。（3分）8.一个控制质量由初始状态A分别经可逆与不可逆等温吸热过程到达状态B，若两过程中热源温度均为rT。试证明系统在可逆过程中吸收的热量多，对外做出的膨胀功也大。第3页共6页答：经历可逆或不可逆定温过程后，按题给两种情况下过程的初、终状态相同，因而系统的熵变相同。由系统的熵方程gfsss，对于可逆过程其熵产为零，故热熵流将大于不可逆过程。可见，可逆过程的热量将大于不可逆过程；（3分）由热力学第一定律，wuq，因过程的初、终状态相同，热力学能变化u相同，故可逆与不可逆两种情况相比，可逆过程的过程功亦较大。（2分）二、作图题：（每小题5分，共10分）1.试在所给参数坐标图上定性地画出理想气体过点1的下述过程，分别指出该过程的过程指数n应当在什么数值范围内(图中请标明四个基本过程线)：1）压缩、升温、吸热的过程2）膨胀、降温、吸热的过程。pvTs11pv1n=0n=1n=kn(1)(2)Ts1n=0n=1n=kn(1)(2)答：(1)kn；(2)kn1评分：四条基本线（2分）两条曲线（2分）n取值（1分）第4页共6页2.如图所示T－s图上理想气体任意可逆过程1－2的热量如何表示？热力学能变化量、焓变化量如何表示？若过程1－2是不可逆的，上述各量是否相同？(请写出简明的作图方法。)答：对可逆过程，热量为面积1-m-k-2-1，热力学能变化量为面积1-m-n-2v-1，焓变化量为1-m-g-2p-1。对不可逆过程，热量无法表示，热力学能和焓变化量相同Ts12Ts12mnk2v2pgT=const三、计算题：（共50分）1.压气机在95kPa、25℃的状态下稳定地以340m3/min的容积流率吸入空气，进口处的空气流速可以忽略不计；压气机排口处的截面积为0.025m2，排出的压缩空气的参数为200kPa、120℃。压气机的散热量为60kJ/min。已知空气的气体常数Rg=0.287kJ/(kg.K)，比定热容cV=0.717kJ/(kg.K)，求压气机所消耗的功率。（16分）解：以压气机中空气为研究对象，其稳定工况的能量方程为0)2()2(22221211mgzchmgzchWQsh即mgzchmgzchQWsh)2()2(22221211（a）其中：)/(10006010603sJQ)/(2944.660340)25273(2871095311skgTRVpmgmzsmc0/01第5页共6页)/(0.95380)25120()717273()/(99.141025.010200)120273(2872944.6123222222sJTchhhsmApTmRAmcpg将以上数据代入式（a），可得压气机所消耗的功率为：)/(10648.6)299.1410.95380(2944.6100052sJWsh2.在高温环境中有一容器，A侧装有2kg氮气，压力为0.07MPa，温度为67℃；B侧装有8kg氮气，压力为0.1MPa，温度为17℃，。A和B的壁面均为透热壁面，它们之间用管道和阀门相连，见附图。现打开阀门，氮气由B流向A。氮气可视为理想气体，已知气体常数Rg,N2=297J/(kg·K)，过程中的平均定容比热容cv=0.742kJ/(kg·K)，若压力平衡时容器中气体温度为t2=40℃，试求：⑴平衡时终压力P2；⑵吸热量Q；⑶气体的熵变。（18分）解：⑴容器A和B的容积分别为361A1AgAAm8851.21007.03402972PTRmV361B1BgBBm8904.6101.02902978PTRmV（4分）取A+B中的气体为系统（CM），m=mA+mB=2+8=10kgV=VA+VB=2.8851+6.8904=9.7755m3（2分）终态时的气体压力MPa0951.07755.9313297102g2VTmRP（2分）⑵按题给，系统不对外作功，有kJ46.96222646.2322)29083402(742.0313742.010)(B1BA1Av2vTmTmcTmcUQ（5分）⑶原在A中的氮气熵变（2分）kJ/K3540.0)07.00951.0297ln.06727340273039ln.1(2)PPlnRTTlnc(mSA2gA2pAA原在B中的氮气熵变（2分）kJ/K7538.0)1.00951.0297ln.01727340273039ln.1(2)PPlnRTTlnc(mSB2gB2pBB全部氮气的熵变kJ/K3998.07538.03540.0SSSBA（1分）3.将100kg温度为30℃的水与200kg温度为80℃的水在绝热容器中混合，假定容器内壁与水之间也是绝热的，且水的比热容为定值，取K)kJ/(kg187.4c，环境温度为17℃。求混合过程导致的可用N28kg0.1MPa17℃N22kg0.07MPa67℃第6页共6页能损失？（16分）解：以绝热熔器内水为研究对象，由其能量方程可得cTmmcTmcTm)(212211可得KmmTmTmT33.336200100353200303100212211水的混合过程的熵变为gfSSS由于绝热0fS)/(186.335333.336ln187.420030333.336ln187.4100lnln2211KkJTTcmTTcmSSg混合过程的做功能力的损失为)(94.923186.32900kJSTIg